德國工業(yè)4.0的概念

1、工業(yè)4.0”的概念工業(yè)4.0”研究項(xiàng)目由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成，并已上升為國家級戰(zhàn)略。德國聯(lián)邦政府投入達(dá)2億歐元1。德國政府提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，并在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出，其目的是為了提高德國工業(yè)的競爭 力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。該戰(zhàn)略已經(jīng)得到德國科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認(rèn)同，弗勞恩霍夫協(xié)會將在其下屬-7個生產(chǎn)領(lǐng)域的研究所引入工業(yè) 4.0概念，西門子公司已經(jīng)開始將這一概念引入其工業(yè)軟件開發(fā)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)。工業(yè)4.0 ”的內(nèi)涵“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)

2、型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造 新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，“工業(yè) 4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略 旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)一信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型?！肮I(yè)4.0”項(xiàng)目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉

3、及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。該計(jì)劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時也成為先進(jìn) 工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者。工業(yè)4.0”的愿景是怎樣的？德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略將更具靈活性，也更強(qiáng)勁，在工程、規(guī)劃、制造、運(yùn)營和物流流程中實(shí)施最高標(biāo)準(zhǔn)。這將催生動 態(tài)的、實(shí)時優(yōu)化、自我組織的價(jià)值鏈，并可通過一系列標(biāo)準(zhǔn)(如成本、可用性和資源消耗)進(jìn)行優(yōu)化.這一價(jià)值鏈還需要適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管框架、標(biāo)準(zhǔn)化接口和統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程。以下是德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的愿景：(1)它的最大特點(diǎn)是制造業(yè)由所有參與者及資源的高度社會技術(shù)互動。互動主要圍繞制

4、造資源網(wǎng)絡(luò)(制造機(jī)械、機(jī) 器人、輸送機(jī)和倉儲系統(tǒng)及生產(chǎn)設(shè)施)進(jìn)行，這些網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立自主，在不同情況下能自我管理，自我配置，還裝備了傳感 器，分散安裝，并融入了相關(guān)規(guī)劃及管理系統(tǒng)。作為這一愿景的關(guān)鍵組成部分，智能工廠將被納入公司內(nèi)部價(jià)值網(wǎng)絡(luò)， 它的特點(diǎn)是包括制造過程和制造產(chǎn)品的端對端工程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和物理世界的無縫銜接。智能工廠將使不斷復(fù)雜的制造流 程便于管理，并能同時確保生產(chǎn)過程的吸引力、生產(chǎn)效益以及工廠在市區(qū)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。(2)德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略中的智能產(chǎn)品可明確識別，并有可能隨處可見。即使還在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其自身制造流程的所有 細(xì)節(jié)均可被控。這意味著，在某些領(lǐng)域，智能產(chǎn)品可以控制各生產(chǎn)階段，進(jìn)

5、行半自主生產(chǎn)。止匕外，這還能確保成品了解 自身發(fā)揮最優(yōu)性能的參數(shù)，并辨別生命周期中發(fā)生磨損和毀壞的標(biāo)記。 這些數(shù)據(jù)可集合使用，以便優(yōu)化智能工廠的物流、 布局、維護(hù)以及與業(yè)務(wù)管理應(yīng)用程序的整合。(3)德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略實(shí)施后，將有可能把個人客戶和產(chǎn)品的獨(dú)特特性融入到設(shè)計(jì)、配置、訂購、計(jì)劃、生產(chǎn)、運(yùn)營和回收階段。它甚至可以在制造和運(yùn)營之前最后一分鐘或進(jìn)行中提出改變的請求，這將使生產(chǎn)一件定制產(chǎn)品和小批量 產(chǎn)品也能產(chǎn)生利潤。(4)德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的實(shí)施，將使員工能根據(jù)具體情況進(jìn)行控制、監(jiān)管和配置智能制造資源網(wǎng)絡(luò)和制造步驟。員 工再也無需完成例行任務(wù)，他們可以更多地關(guān)注創(chuàng)新和具有附加值的活動。因此，他

6、們在確保產(chǎn)品質(zhì)量方面將起到關(guān)鍵 作用。同時，靈活的工作條件也將他們的工作和個人需求更好地結(jié)合起來。(5)德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的實(shí)施，需要進(jìn)一步擴(kuò)展相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施， 并通過服務(wù)水平協(xié)議進(jìn)一步規(guī)范網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì) 量。這將有望滿足大流量數(shù)據(jù)應(yīng)用程序和服務(wù)供應(yīng)商的高帶寬需求，以保證關(guān)鍵應(yīng)用程序的運(yùn)行時間。工業(yè)4.0”具有哪些核心特征？德國制造業(yè)是世界最具競爭力的制造業(yè)之一.尤其是裝備制造業(yè)在全球處于領(lǐng)先地位。這在很大程度上源于德國在創(chuàng)新性制造技術(shù)方面的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，以及復(fù)雜工業(yè)過程管理的專業(yè)性。德國擁有強(qiáng)大的機(jī)器和設(shè)備制造業(yè)，在信息技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的水平和能力，在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程方面也頗有建

7、樹，這些因素共同奠定了德國在制造工 程行業(yè)中的領(lǐng)軍地位。因此，德國能以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢開拓新型工業(yè)化的潛能：工業(yè) 4.0。前三次工業(yè)革命的發(fā)生，分別源于機(jī)械化、電力和信息技術(shù)。如今，將物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)引入制造業(yè)正迎來第四次工業(yè) 革命。不久的將來，企業(yè)能以 CPS （Cyber-Physical Systems ，信息物理系統(tǒng)）的形式建立全球網(wǎng)絡(luò)，整合其機(jī)器、倉 儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施。在制造業(yè)領(lǐng)域，這些CP她括能自主交換信息的智能機(jī)器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施、它們能獨(dú)立運(yùn)行和相互控制。這 有利于從根本上改善工業(yè)過程，包括制造、工程、材料使用、供應(yīng)鏈和生命周期管理。智能工廠現(xiàn)在似乎已開始采用一種全新的方式來生

8、產(chǎn)產(chǎn)品。智能產(chǎn)品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位,我們知道它的發(fā)展歷程，了解它當(dāng)前狀況，以及實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)狀態(tài)的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工 廠和公司業(yè)務(wù)流程聯(lián)網(wǎng)，橫向連接則可實(shí)時管理衍生價(jià)值體系，這二者共同構(gòu)建了嵌入式制造系統(tǒng)。止匕外，這些指令都 要求啟用終端間工程（模式）流經(jīng)整個價(jià)值鏈。工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產(chǎn)品只生產(chǎn)一次，也能 通過頗具收益的方式制造出來。在工業(yè) 4.0中，以供應(yīng)商為例，動態(tài)業(yè)務(wù)和工程流程能幫他們根據(jù)生產(chǎn)需要最終做出相 應(yīng)改變，并靈活應(yīng)對生產(chǎn)中斷和故障?，F(xiàn)在，制造過程中已經(jīng)能夠提供端到端的透

9、明化，以促進(jìn)決策優(yōu)化。工業(yè) 4.0將會開發(fā)出創(chuàng)造價(jià)值的新方法和新的 商業(yè)模式。特別是，它將給初創(chuàng)公司和小企業(yè)的發(fā)展帶來機(jī)會，下游服務(wù)也能從中受益。止匕外，工業(yè)4.0將正視和解決某些當(dāng)今世界面臨的挑戰(zhàn)， 如資源能源利用效率、城鎮(zhèn)化、人口結(jié)構(gòu)變化等。工業(yè)4.0 能持續(xù)帶來覆蓋整個價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的資源生產(chǎn)率和效率的增益。它能將人口結(jié)構(gòu)變化和社會因素考慮在內(nèi)，以適合的方式組 織生產(chǎn)。智能輔助系統(tǒng)讓工人從單調(diào)、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創(chuàng)新和增值業(yè)務(wù)上。鑒于熟練工短缺的問題，工業(yè) 4.0允許老工人延長職業(yè)生涯，從而長久地保持生產(chǎn)力。靈活的工作組織形式使工人 們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持

10、續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展變得更有效率， 在工作和生活之間找到了更好的平衡點(diǎn)。制造工程領(lǐng)域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認(rèn)識到在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)是大勢所趨的國家。 而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業(yè)造成威脅，美國也在采取措施，通過推進(jìn)“高端制造業(yè)”計(jì)劃反對“去工業(yè) 化”。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，需要采取雙重策略。裝備制造業(yè)應(yīng)尋求穩(wěn)固在全球市場的領(lǐng)導(dǎo)地位，一如既 往地把信息通信技術(shù)與其傳統(tǒng)的高科技戰(zhàn)略進(jìn)行整合，使自己成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)商。與此同時，還有必要為 CP艱術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)建新的領(lǐng)先市場，并為之服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)上述CPSZ重策略的目標(biāo)，以下工業(yè)4.0的基本特征應(yīng)該得到

11、落實(shí)：(1)通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成(2)工程端到端數(shù)字集成橫跨整個價(jià)值鏈 (3)垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)這些特征是制造商在面對變幻莫測的市場能夠取得穩(wěn)固地位的重要因素，同時使它們的價(jià)值創(chuàng)造活動適應(yīng)變化的市場需 求。雙重物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)戰(zhàn)略中提到的特征將允許制造企業(yè)在高度動態(tài)的市場中達(dá)到快速的、準(zhǔn)時的、無故障的生產(chǎn)。通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫向整合模型、設(shè)計(jì)以及通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向整合應(yīng)該可以回答下面的問題：物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何支持企業(yè)的商務(wù)戰(zhàn)略、新價(jià)值網(wǎng)絡(luò)以及新商業(yè)模式？這個問題同樣適用于研究、開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域(圖 1)。除了 “商業(yè)模型”、“不同企業(yè)間的合作形式”，還有一些 話題值得研究，比如“可持續(xù)性”、

12、“技能保護(hù)”、“標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略”，以及“中到長期訓(xùn)練和員工發(fā)展倡議”。圖1通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向整合橫跨整個價(jià)值鏈的端對端工程下面的關(guān)鍵問題是關(guān)于通過工程過程實(shí)現(xiàn)端對端數(shù)字整合，以達(dá)到產(chǎn)品整個價(jià)值鏈數(shù)字世界和真實(shí)世界的整合，同 ,滿足客戶的需求：物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)端對端的包括工程工作流的商業(yè)過程？對于這一點(diǎn)，建模在管理越來越復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的作用（見5.2節(jié)）。應(yīng)該部署適當(dāng)?shù)男畔⒓夹g(shù)系統(tǒng),以便為整個價(jià)值鏈提供端對端的支持，從產(chǎn)品開發(fā)到制造系統(tǒng)工程、生產(chǎn)和服務(wù)（圖2）。需要一個涵蓋不同技術(shù)領(lǐng)域自整體的工程方法系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，工程師們需要接受適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。圖2橫跨價(jià)值鏈的端對端工程垂直整

13、合與網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)就垂直整合來說，需要回答下面的問題：物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何創(chuàng)造靈活和可重構(gòu)的制造系統(tǒng)？垂直整合的地點(diǎn)是工廠。在明天的智能工廠，制造結(jié)構(gòu)將不是固定的和事先定義好的。相反，一系列信息技術(shù)組合 規(guī)則將被定義，這些信息技術(shù)組合規(guī)則可以被應(yīng)用到不同的案例中，為不同情況自動形成特定的結(jié)構(gòu)，包括模型、數(shù)據(jù)、 通信和算法（圖3）。中Ifipr璋 =圖3垂直整合與網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)為了完成垂直化整合，確保調(diào)節(jié)器和傳感器信號在 ERP不同層面的端對端的數(shù)字化整合非常重要。開發(fā)模塊化以及 重新使用戰(zhàn)略來完成點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和制造系統(tǒng)重構(gòu)，以及恰當(dāng)?shù)闹悄芟到y(tǒng)描述也很重要。不僅如此，領(lǐng)班和操作者需要接 受培訓(xùn)以便了解操作

14、制造系統(tǒng)的方法所產(chǎn)生的影響。工業(yè)4.0發(fā)展目標(biāo)德國制造業(yè)是世界上最具競爭力的制造業(yè)之一，在全球制造裝備領(lǐng)域擁有領(lǐng)頭羊的地位。這在很大程度上源于德國專注 于創(chuàng)新工業(yè)科技產(chǎn)品的科研和開發(fā)，以及對復(fù)雜工業(yè)過程的管理。德國擁有強(qiáng)大的設(shè)備和車間制造工業(yè)，在世界信息技 術(shù)領(lǐng)域擁有很高的能力水平，在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程方面也有很專業(yè)的技術(shù)，這些因素共同奠定了德國在制造工程工業(yè)上的領(lǐng)軍地位。通過工業(yè) 4.0戰(zhàn)略的實(shí)施，將使德國成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)（即信息物理系統(tǒng)）的供應(yīng)國和主導(dǎo) 市場，會使德國在繼續(xù)保持國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的前提下再次提升它的全球競爭力5771001803090012095 5790368228

15、596330825771001803090012386 5761373997357606965771001803090013594 5780775799025155125771001803090012387 5771649826018180515771001803090012138 5721311921589183265771001803090012359 5790368223610760535771001803090012356 5761352861437917425771001803090012355 57508786970469327917088100343355274 10122994432583337917088100343355275 10186673293883200817088100343356107 10158115250150052217088100343356108 10100018005987173217088100343354295 10107419414268701717088100343356184 10187866086962880217088